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电动汽车充电技术与标准介绍
时间:2020-11-19| 编辑:lihaiyan|【
 

贺春:首先非常感谢威海广泰公司可以给我提供这样的机会,让我近距离的接触熟悉而又陌生的行业,我本人来自与电力系统。为什么说熟悉?因为我本人经常出差,坐飞机奔赴各个机场。下面,我向各位领导和各位专家汇报一下电力行业充电领域做的事情思路、思考,还有电力行业关于能源供给的技术情况。

个方面来介绍:一是标准化技术体系;二是标准化过程当中的经验体会;三是关于充电的新技术;四是介绍一下充电之外的新能源的技术变化情况。

首先是行业背景介绍这个背景各位专家都非常熟悉。第一,我们电动汽车背景来源是能源战略安全问题,这是早些年比较清楚的,由于石油储量在国际上的地位大家非常清楚,比例比较低,随着环保要求以及能源战略安全要求两重因素催化电动汽车行业发展需求。

第二,习总书记已经指出来了,“发展新能源汽车是迈向汽车强国的必由之路”,这是习总书记关于电动汽车发展方面的指示。

第三,关于充电设施发展的三大力量一是汽车电动化,汽车电动化浪潮已经席卷全球,这是大家非常熟悉的前一段时间燃油车技术时间表,将来发展怎么样我们都拭目以待,其中原因就是电动化更加节能环保,是有效对石油资源紧张的解决方案其次,电动化带动对传统汽车全面升级,包括更强的动力性和智能型。二是充电设施的市场化我们是搞空港设备的,但是在电力系统充电设施参与的企业非常众多,不光是汽车企业,还有充电桩生产企业、模块企业、运营商,已经形成丰富多彩的市场局面,并且中国的新能源汽车全球市场占比高速攀升,中国独占鳌头。三是我们有政策的支持,最近国家新能源政策支持从汽车制造端向充电设施建设及运营端开始转移,就是我们国家政策补贴导向,关于补贴的过程各位领导和专家都有所了解的,我就不再详细赘述了。

这是我们行业背景的的情况。产业发展情况怎么样?也跟各位领导汇报一下我们建成世界上最大规模的充电设施网络,到2020年3月公共充电桩达到54.17万台,换电站433座,配电私人充电桩达到42.52万,在京津冀、长三角、珠三角形成了充电数据网络。

产业发展情况:一是我们已经建立起最完备的电动汽车充电设备政策体系;二是我们建成世界上最大规模充电设施网络;三是充电设施成熟度进一步提升,最早第一版发布到现在有10年时间,我们充电设施质量不断提高;四是充电设施标准体系趋于完善基本建成,形成最具活力的充电设施产业生态。

下面我们进入第二部分,介绍标准体系首先我要跟各位汇报一下能源行业电动汽车充电设施标准化技术委员会的情况。国家能源局2010年7月批准成立了第一届能源行业电动汽车充电设施标准化技术委员会,发展到今天除了标准化技术委员会,根据工作的需要又成立了若干个工作组,有检测认证标准化工作组、无线充电标准化、大功率、信息安全等标准化工作组,这些工作组成立都是为了针对目前充电设施领域发展急需的,就为了配合发展需要成立专门工作组研究这个领域工作,这是标准化委员会的组成情况。

其次,我们看一下标准体系架构,基础通用标准有:术语、标志和标识以及信息安全。第二层有电能补给、服务网络以及建设与运行标准。电能补给手段有很多种,有传导充电、交流充电、直流充电,有无线充电当然还有换电,这是电能补给。服务网络就涉及到充换电站以及监控平台等服务网站。再者,涉及计量、电容质量以及电网互动,后面会跟大家介绍电网和电动汽车原来就觉得是用电,后来在一次学术研讨会上发现,在未来发展当中电动汽车的储存电量在电网中占着巨大比重,所以说是不可或缺的力量,这部分也非常重要!当然还有运行管理和竣工验收考虑。

标准化情况是这样了,规划了152项标准,规划国家标准58项,行业标准59项,团体标准35项,目前标准体系中发布的标准有21项,正在修订的有54项。

基础通用还有电能补给方面涉及到的标准很多,比如我们非常熟悉的2015年颁布的五项新国标,18487、27930、20234这几项标准,另外随着发展的需要,我们在一致性测试和互操作测试也颁布标准,因为汽车是属于汽车行业,充电设施是属于电力行业是两个行业的事情,然而充电是需要双方紧密合作的事情,所以早期的时候最突出的问题就是兼容性或者是互操作性,所以说就制定了两个标准

电能补给方面有传导充电、无线充电还有电池更换三条技术路线,这是关于充电设施相关的关键标准能源行业标准33001、33002和33008这一系列。随着发展我们做的统计标准就是高温沿海地区特殊要求,因为我们会发现在海南、广东这些地区这个地方非常的潮湿,如果按照原来的标准耐受能力,可能会发现对于这些地区不够了,为了这个我们专门飞到海南,在那里组织了高温沿海地区特殊要求的标准启动会那一次感受很深,就看海口海边上的铁栅栏都锈迹斑斑,印象非常的深刻。

建设与运行方面,包括施工验收你该怎么做,计量、电能质量以及电网互动、运行管理,充电设施和别的电力设备不一样,比如变电站用的电力设备是专用,放在变电站专人管理,充电设施是介于工业和民用之间,老百姓天天打交道的,所以说他的建设运营有特殊的要求,一定要确保老百姓生命安全。

关于建设运行方面的标准,也在这里做了简单罗列,我就不再细细念了,这些方面都是有所考虑的。

充换电站以及服务网络标准,一些换电标准还有电池箱的编码等等,这些我也不跟大家细细说了。

充电设施运行维护标准,因为充电设施的投入使用以后怎么对它进行保养、运行、维护,原来我们都没有太多经验,随着充电设施的大量布置以后我们也发现了一些问题,发现问题以后就要针对这些问题从标准角度来入手规范它。这是标准化的体系,关于互联互通方面也做了一些电动汽车充换电服务信息的交换、漫游标准等等,这些都有所考虑!

刚才给大家简单汇报一下标准化体系架构以及标准的几个主要方面,下面我想跟各位领导汇报一下我们在从事电动汽车充电设施标准化工作中的一些经验和体会。

第一,互操作能力,刚才已经说到了。充电设施是一个涉及到汽车产业和电力产业等多个行业的产业,早期在充电过程当中发现了很多不兼容的问题,比如充着充着电突然汽车就不充电了,或者是车到了这个桩可以充电,到另外一个桩就不能充电,很多车主都是私家车的车主,他们又不明白这是因为什么,我们明白人一看就知道是什么原因,作为老百姓让他具备专业能力做这些事情是不现实的,所以第一个阶段重点解决问题就是互操作问题,为了有效解决充电桩和车互操作问题,我们准备了四次互操作实验,这就是各位看到的(PPT)。首先由不同的实验室对充电桩进行行驶实验,行驶实验结束之后第二阶段再集中到一个统一场所,让这些通过实验的充电桩和电动汽车,比如北汽、广汽、比亚迪相互的互操作,看看这些车和这些桩两两交叉匹配能不能充上电,居然发现很多通过了行驶实验产品在互操作过程当中还是不能充电,为什么?这个时候我们就发现标准写的条条框框是有的,但是力度不够,所以不同设施厂家对标准条款进行解释和执行就不太一样,不一样的结果就是充电现象就不一样,充电体验就比较差。

照片就是当时在实验室里面进行互操作实验的场景。这是在第一期、第二期互操作南京南瑞组织的南瑞电车院

后来在这个基础上把相互操作实验从实验室搬到现场,从去年到今年我们怎么做,我们集中测试活动选择了城市快充、高速快充以及交流充电桩100个,充电设备有1542台套,充电设施有627台套,直流充电设施915台套,分四个区域开展现场充电互操作匹配测试,中国分四个区域,华中我们牵头做,河南、武汉、湖北这几个省份我们做这样互操作,希望了解从标准颁布这么多年以后,实际现场的互操作情况怎么样?这是去年年底到今年在做的事情。

充电设施互操作过程当中还有一个问题需要解决,就是实验室检测水平和能力,以及试验设备能力非常的重要,新技术一旦出现以后很多新的试验设备到底具备不具备这种能力?还有实验室之间到底有没有这样的能力来为电动设施健康平稳发展保驾护航?其实我们也做过两次类似工作,第一次是做不同的实验仪器实验效果比对,当然参差不齐。第二次是组织不同实验室对交流充电桩和直流充电桩实验能力进行比对,当然这个比对结果不会对外公布,但是从实验结果来看,水平也是参差不齐,这就说明我们当前行业发展的特点,就是汇聚的企业很多,水平也参差不齐,这是发展前期必然要经历的阶段。

有了这几年的运营经验之后我们发现一个问题,我们依然在现场会有这样、那样的充不上电,反正很多顾客投诉,给各位讲一个非常有意思的顾客投诉早期北京市国网充电桩,出租司机用充电桩有经验,他们都会偷电,知道怎么弄这个电就白充了结果有一天举报,国网公司电动汽车公司就收到了举报,说充电桩不行了,后来了解不是不行了,他们发现充电桩能偷电就堵住了,出租车司机发现这个充电桩可以偷电现在不能偷电了就举报,但是国网不是不知道这个情况,他们是希望充电桩能够快速发展,为电动汽车产业发展提供支撑。

刚才说了,现场还有这样那样的问题,因为这是两个行业的事情,为了给电动汽车行业提供一些帮助,给广大车主还有制造商等提供更多的信息,中电联做了这样一件事情,做案例库检测认证工作组根据这些年在实验室做实验情况,在现场验证中遇到的问题,把这些问题汇总、分类、总结起来形成这样的案例库,案例库目的就是将来中国所有与这个相关人都能够通过这个网站查到什么原因,为什么充不上电等等。找到它的解决办法,也是为行业发展做服务的!案例库建设汇聚行业前期成果,归纳总结整理,反正就是给行业发展提供服务。

第一次收到各类建议457条,选定案例303条,其中有互操作方面案例等等,案例库正在建设当中。将来是一种动态的,今天我们发现了新的问题增加到案例库当中。

有了早期互操作以后再跟各位领导分享一下安全性问题因为电动汽车充电早期也发生过一些问题,这里失火,哪儿着火,当时中电联非常的紧张,三四年之前只要着火就给刘主任发一个着火新闻,都非常紧张,为什么?到底是车的问题还是桩的问题,后来我给刘主任说了一下我说在电动汽车充电过程当中BMS是调度中心,这是什么意思?BMS做的好不好,对于充电过程的充电质量非常的重要,影响非常大,后来他们了解到这个情况以后就开始针对一些着火现象进行有针对性的分析,分析到底是什么原因,我在此跟各位把我们这些年在安全性思考讲一下。

比如,安全回归到基础模型,三道防线,第一就是防触电,人身保证安全,这在充电设施标准里面做了充分考虑,只要是一类的绝缘要求设备,除了基本绝缘措施之外还有第二道防线漏电保护器。第二道防线就是防损坏,充电过程当中会不会损害汽车,尤其汽车电池,电池受损不要紧,累计效应会短路、起火、爆炸。第三道防线就是防火灾,什么意思?你可能会起火,起火以后怎么办?你不能让火烧着吧,这些都是我们安全角度考虑的事情。

我们再看安全环节,从设计制造开始、建设施工、运营维护无一不跟安全有关系,你产品本身安全吗?施工安全吗?非常重要!所以说现场验收这些工作还有标准非常重要。给大家举例一下,我们在验收工作当中发现充电机和充电桩正负线都接反了,为什么?我理解了!因为我们是搞技术的非常清楚里面的细节,现场都是工人在操作,你指望工人像专家一样干活是不可能的!很有可能就把线接反了,所以说安全就连建设施工里面都需要充分考虑,别把建设施工这部分忽略掉,以为装在那里就好了,一定要检查!还有就是运行维护的过程当中,设备每天都有所不同,维修以后到底安全吗?接地牢靠吗?一定要检查,不检查就有问题。

第二,跟各位分享一下充电过程当中的情况,最开始我们充电验收车在重庆验收,云南有一个朋友打电话,说有一个充电站车主两台车都充坏了,搞不清为什么。我们的车就从重庆连夜奔到云南昆明,现场记录到一个波形,如果是前几年我对波形没有什么概念,直到最近我发生了变化。绿色线是充电电压线,蓝色的是充电电流,你们会发现一个很明显的特征,这个充电电流是不稳定的,是脉冲,过一段时间脉冲往上充,对这个真没有概念,这不是充电吗?就是脉冲,给电池换电。当时评判的结果各打50大板,充电过程当中电动汽车打开仪表盘,在仪表盘打开以后充电电流从平稳的值转化为图中的曲线,一直持续到充电结束,有的是在充电过程当中,有的是充电以后,开始我真的不明白,直到上个月我跟我们的同事说,我们模仿故障树方法用安全树分析一下与电池相关安全问题,他搞通信协议,我们分析模型不一定完全准确,但是给我们很多启发。

这就是安全树,上面就是电池爆炸、起火爆炸,倒推下来看有内部网络、氧气与负极活泼金属反应,还有外部短路,都会引起电池的应用反应。关于内部短路再往下看,内部短路的原因可能是导体刺穿电池外,比如撞了外力使电池变形造成短路。

堆积锂原子经穿刺内部隔膜、堆积。堆积怎么来的呢?再往下看,负极锂原子堆积还有负极空间容量不足的时候,会产生这个现象。

往下看,外力冲击或者是电池过充或者充电电流过大,因为实际上,可能很多人连自己电池到底多大都不知道,反正你们看这个图,电流是冲击似的,一冲一冲的,结合放的那张图我就明白了,将来给电动汽车充电过程当中不是电流越大越好,当然也不是多小,一定要按照电池本身耐受特性来分析,如果不按照这个肯定不行。

再比如关于电池充电电流问题,还有一个问题就是和标准设计有关,27930定义最大充电电流400mA当时说你这个协议做的有问题,你搞偏移数400,将来更大电流上不去,最大的电流就是400mA,按照标准上不去了。按偏振来算,各位熟悉的知道我说什么。

各位看了这个以后就明白了,咱们做空港设备你们对你们充电桩要严格检查,严格检查充电电流稳定性像刚才脉冲充电过程当中是看不见的,只有设备之间可以感知到,所以你们要小心这件事情,还有防止过充,哪怕吃不饱不能吃太饱,吃太饱累效应电池就受损了,有时候不一定充电也会爆炸,一定受损了,时间长了!

通过安全性分析我们来看,BMS很重要,充电电流控制很重要,还有电池过程监控很重要。举一个例子,前两天有一个汽车厂,他们汽车围在一个地区来回找桩试着充电,就发现一个现象,他们要100mA电流,结果有一个充电桩给了150mA电流,他立刻停止充电,这个汽车的BMS做的就非常的棒。他要100,有人给他150立刻报警停止充电,这个汽车做的非常好,当然不是所有汽车BMS都可以达到这一点。

接下来跟各位领导汇报一下充电的新技术发展,也是按照我们充电设施发展过程当中思考得到,比如大功率充电,也就是说当时2015年以后标准出来了,我们的100多千瓦的时候充电桩,我们还是嫌它充的时间太长了,可能一辆车充一个小时甚至更久,当然交流更长,一晚上的时间,可能用户体验就不太好,和咱们加油几分钟油箱满了就走,这种情况下中电联开始思考,我们能不能用更大功率进行充电,所以说就有了这个主题,大功率充电,有了大功率充电主题以后还有另外一个目的,就是我们原来在直流和交流方面接口问题设计有些不够满意,他们还有另外一层想法,就是通过大功率充电这件事把将来充电接口都换成新的接口,也就不是2015版的接口。

时间表不跟大家讲了,就是从2016年开始我们做这个工作,与中德、中日合作,日本的产业联合,最后我们把这个名字就定义为——Chao Ji,新的充电接口叫Chao ji,上面的连接是南瑞尼总的连接。这是时间表的图形的形式,当然还有参与国家和企业非常多,历经五年都比较成熟,还有有白皮书发布《超级充电》。

关于大功率充电有一个头疼问题,就是降温问题,功率大了温升高,到底水冷还是风冷,功率大充电枪就粗,再加上冷却系统,怎么办?想了很多办法。所以一个新技术推出其实没有那么容易,背后都有很多辛酸在里面的,采用液冷并增加温度监控系统,最大充电功率可以提高到900千瓦,我知道充电桩最高做到750伏就可以了,大功率充电将来升到1000多伏,我们目前就是这种水平,国家标准化都有规定,目前充电桩都是750的水平。

这有两个方案,因为充电有一个非常头疼问题,兼容一定要兼容,不能说今天设计新接口把过去车丢掉了,所以说两种关于车的接口兼容方案还有桩的接口兼容方案都有考虑,现在做充电桩标准非常慎重,任何一点不慎重对将来发展都会造成很严重的后果,所以都比较慎重。

这是接口,与2015版的接口是不一样,做了些功率设计都有变化,就不再赘述了。热管理方面非常重要,热感应、热传导、热交换非常重要,这也是很多企业一起研究结果。大功率充电有的嫌不方便,应运而生就是无线充电,中国电科院的储能所研究无线充电,研究差不多,标准写了很多。当前的主要工作就是确定充电频率,频率和无线电管理委员会都有千丝万缕联系,其次完善行业标准,促进互联互通。长期目标是什么?长期目标就是降低设备的成本,提高充电的效率、确保充电安全,最后就是探索商业模式,无线充电做标准会考虑上面有一个易拉罐怎么样,人上去会不会有伤害,考虑比较细致。

除了无线充电,随着发展我们研究一些柔性充电,就是用一个集中的充电机,然后控制多个前端的桩,可以通过模块的调节、动态的给每一个桩实际功率做调整,来满足实际需要这就是柔性充电。比如,右边这个图比较直接了,柔性充电可以带好几路充电桩,每一个桩用其中一部分功率就可以了。将来柔性充电就是这个功率可调,当然柔性充电、预约充电也有问题,就是标准支不支持问题,还有汽车休眠如何唤醒的问题,这些都是我们将来做的工作。

这是另外一个场景,白天你用的繁忙,整个充电桩给大巴,150千瓦快充满了,晚上车都回来了,不着急,一个分几十千瓦慢慢充,所以说这就给我们更加灵活的用充电桩的模式,本质上还是充电桩。这是柔性充电。

最后,跟各位汇报一下新能源技术。第一,不光是虚拟电厂,我想引出是电力市场,现在有一个虚拟电厂的概念,这跟电力市场有关系电池大家都知道,比如火力发电厂,高高烟囱是电源,可是未来电厂是什么?虚拟电厂,可能我们汽车车主本身就是虚拟电厂中一员。举一个例子,他们做过计算,如果到2030年我们有一亿辆电动汽车,一辆汽车60度电,那么里面会存多少度电?就是61度电,现在年发电量多少的关系,就是比重非常大,数据每天都在变化。上次V2G会议让我有深刻感触,突然之间将来电动汽车上储存着巨大能量,这是我当时非常有感触的地方。这个时候再讲虚拟电厂就是有能源公司可以与周围可以提供电源地方签定协议,组成虚拟电厂,为了相应电网互动,在与电网互动中可以节约电费,可以挣钱。这就是未来电力市场模式,这就是虚拟电厂。

将来电动汽车里面拥有巨大能量,这是储能装置还有储能变流器、光伏发电等等,右边的地方是电动汽车充电站,这是未来的场景也就是说未来的电动汽车不光充电,当电网需要发出电、维护电网稳定,你可以把你的电给他,不要以个体身份来看,要以虚拟电厂来看,有人可以帮你打理汽车,你的电动汽车一个月用多少电都不需要交钱,都可以通过他的交易完成,结果就不需要花钱充电了。总之V2G技术不光电动汽车可以充电还可以把电放出来,将来谁调度管理由能源供应上帮你调度管理。就像现在移动互联网一样,讲入口、讲流量,我就感觉将将来运营商谁拥有大量车主就是出口,那个入口相当厉害。刚才有人提到了无人驾驶,汽车这是我们的活动中心,那个入口比我们手机入口还要厉害。未来一切不可猜测,就是比较神奇!

这是具体的技术实现,就是V2V,车给车充电,将来车没有电两个车充电,还有V2L,将来用电动汽车,现在有人说可以烧烤,都可以的!逆变技术很成熟,还有V2H到家庭。这些电线架构可能不适合这些工作,但是未来可能会变化,后面几个图会跟大家介绍。还有将来联网的时候是交流联网还是直流联网,都是有可能的!

接下来分享一下燃料电池技术。燃料电池技术原理就是氢气、氧气通过化学反应产生电能和热能,前期好像热能比较多,占40%多,但是又想将来有综合能源互联网,热出来也很厉害,还可以供热,当然燃料电池技术应用场景,就讲氢燃料电池其实有一个背景,如果西部没有良好电力管道,发出来的电就就地制氢,氢运输过来。

这是关于燃料电池的产业政策,燃料技术研究还是有很多企业参与,将来可能也是一种选择了!

再介绍一个概念就是综合能源互联网,在一个园区,比如空港,空港就是一个园区,肯定有很多能源需要用,电能是一部分,冷热气还有别的每一个园区特点不一样,这个园区用能源方面就是综合能源的小网,关于综合能源互联网我们怎么用能源视角来看,给这个园区提供合理的能源供应,就是我们需要研究的课题。

这是一个例子,今天下午就需要开一个网络会议,关于国家重大专项的验收评估,咱们单位有光伏发电,这就是一种模式。

电力电子变压器,由于我们光伏风力发电是直流,其实将来的用电模式不管是交流还是直流都是有可能,电力电子变压器是什么?可以把十千伏的交流电网通过电力电子技术变成750500伏两个出口,交流还有380的交流,将来这种能量的路由器连接电网、连接分布式能源还有储能,那个能量流动是随意的,所以说未来的用电模式会更加灵活!

最后总结一下,因为我这几年工作发展一个特点,跨行业、跨领域,我的经验就是需要配合,跨行业和跨领域如果配合不好很多工作推进起来很麻烦其次,能源资源整合的优化利用是趋势,这不光是电还有空港,包括我们家是煤矿出来,现在煤矿都被整合了。再者,产业链协同是成功保障。谢谢大家。